4. Сформулируйте принцип квантования заряда.
4. Любой электрический заряд кратен заряду электрона.
Источник:
Решебник по физике за 10 класс (В.А.Касьянов, 2009 год),
задача №4
к главе «13. Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. §75. Электрический заряд. Квантование заряда. Ответы на вопросы».
Элементарный заряд
Элемента́рный электри́ческий заря́д , e, — наименьший электрический заряд, известный в природе. В квантовой механике элементарный заряд рассматривается как минимальная порция (квант) электрического заряда. Величина e элементарного электрического заряда была установлена прямыми измерениями Р. Милликена в 1909-1911 гг. и А. Ф. Иоффе в 1911-1913 гг.
Квантование электрического заряда
Каждый наблюдаемый в эксперименте электрический заряд постоянно кратен элементарному. Это предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и неоднократно проверялось экспериментально. Элементарный заряд был вычислен в 1834 г. М. Фарадеем.
Так как электрический заряд встречается в природе только в виде целого числа элементарных зарядов, можно говорить о квантовании электрического заряда. В классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, т.к. заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Общепринятого объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока нет, хотя имеются некоторые заключения:
- Если в природе существует магнитный монополь, то согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Дело лишь за малым: обнаружить в природе магнитный монополь.
- В современной физике элементарных частиц идут поиски модели наподобие преонной, в которой все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц было бы следствием свойств этих фундаментальных частиц.
- Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В такой теории величина электрического заряда частиц должна вычисляться из малого числа фундаментальных параметров, возможно связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Тем не менее, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.
- В субстанциональной модели электрона постоянство заряда электрона связывается с происхождением электронов при бета-распаде нейтронов, когда одновременно возникают протоны и электроны с одинаковым по модулю электрическим зарядом. В таком случае значение заряда электрона вытекает из квантованности свойств нейтрона и обусловлено закономерностями бета-распада.
Дробный электрический заряд
С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, 1/3 и 2/3 от значения элементарного заряда. Однако частицы, подобные кваркам, существуют только в связанных состояниях (конфайнмент). Таким образом, все известные свободные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя в некоторых экспериментах наблюдалось рассеяние на частицах с появлением дробного заряда.
Неоднократные поиски свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.
Стоит однако отметить, что электрический заряд квазичастиц может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.
См. также
- Электрон
- Субстанциональная модель электрона
- Квантованность параметров космических систем
Электрический заряд. Квантование заряда — ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Цель: научиться обнаруживать электрические заряды на телах.
I. Анализ контрольной работы
II. Изучение нового материала
Структура Вселенной формируется гравитационным притяжением тел. Но притяжение привело бы к сжатию. Для существования стабильных размеров тел должны существовать силы отталкивания между частицами тела. Такими силами являются силы электромагнитного взаимодействия. Силы электромагнитного взаимодействия частиц тела на много порядков превосходят гравитационные силы. Электромагнитные притяжения и отталкивания возникают лишь между заряженными частицами.
Подвесили на нитку кусочек фольги. И поднесем к нему палочку из оргстекла.
— Что вы наблюдаете?
Никаких изменений не происходит.
Значит, тело не обладает зарядами. Натрем палочку из оргстекла о бумагу. Кусочек фольги начал притягиваться. Значит, один из способов сообщить телу электрический заряд — натереть его.
Убедиться, что это не единственный способ зарядить тела.
Ударим эбонитовой палочкой о резиновую трубку. Поднесем тела к электрометрам, а затем соединим, стрелки вначале отклонятся, а после соединения проволокой вернутся в первоначальное положение. Эбонитовая палочка и резиновая трубка «зарядилась» разными по знаку зарядами, но одинаковыми по модулю.
Способность частиц (или тел) к электромагнитному взаимодействию характеризует электрический заряд.
Электрический заряд — физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.
Отрежем две полоски бумаги по ширине около 1 см. Сблизим. Взаимодействие отсутствует. Положим на тетрадь и проведем несколько раз ручкой.
Будем сближать полоски, взяв их в руки, полоски оттолкнутся друг от друга.
К подвешенной фольге поднести заряженную палочку, фольга притягивается. Если же фольга коснется палочки, фольга будет отталкиваться.
Значит, заряженные тела могут отталкиваться. Это объясняется существованием двух различных зарядов. Один из них положительный, а другой отрицательный.
При соприкосновении одной и той же пластиковой ручки были сообщены бумаге одинаковые заряды.
Следовательно, между электрическими зарядами одинакового знака действуют силы отталкивания, а между зарядами противоположных знаков действуют силы притяжения.
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяют электрометр. По углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.
Установим два одинаковых электрометра. На стержне одного из них укрепим металлический диск и поставим на него второй такой же с ручкой изолятора. Между дисками положим кусок сукна. Взявшись за ручку, сделаем несколько движений и снимаем верхний диск. Стрелка электрометра отклонится. Верхний диск поднесем ко второму электрометру. Стрелки электрометров отклонились на один и тот же угол, примерно. Теперь соединим проволокой электрометры, стрелки вернутся в первоначальное положение.
Самые точные эксперименты показали, что в результате электронизации тел при соприкосновении на них всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.
Электрические заряды могут появиться и при других взаимодействиях, под воздействием света.
Внутри изолированной системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной: q1 + q2 +. + qn = const.
Нигде и никогда не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда.
III. Закрепление изученного
1. Какие взаимодействия называют электромагнитными?
2. Что такое электрический заряд?
3. В чем сходство и отличие электрического заряда и гравитационной массы?
4. Какой заряд называют элементарным?
5. В чем состоит явление электронной теории?
6. Сформулируйте законы сохранения электронного заряда?
7. Когда он выполняется?
1. Исследуйте в домашних условиях синтетические и натуральные материалы. Какие из них электризуются сильнее?
2. Можно ли на концах эбонитовой палочки получить одновременно два разных по знаку заряда? Дайте теоретическое решение и проверьте его экспериментом.
-75%
Квантование заряда в физике: объяснение и примеры
Квантование заряда — одна из фундаментальных концепций физики, которая позволяет нам понять, как течет электричество на субатомном уровне. В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое квантование заряда, как оно было открыто и как применяется в разных областях науки. Присоединяйтесь к нам в этом увлекательном путешествии в мир электронов и узнайте, как это важное свойство формирует наше понимание электричества.
- Что такое квантование физической нагрузки?
- Квантование заряда в физике: объяснение и примеры
- Что означает, что физическая величина квантуется?Приведите примеры.
- Что такое квантование и сохранение электрического заряда?
Что такое квантование физической нагрузки?
Квантование заряда в физике: объяснение и примеры
Квантование заряда — это фундаментальная концепция физики, которая относится к идее о том, что электрический заряд квантуется, а это означает, что он может существовать только в целых числах, кратных элементарному заряду. Другими словами, электрический заряд не может иметь никакой ценности, а ограничен определенными значениями.
Элементарный заряд — это наименьший заряд, который может существовать, он равен заряду электрона или протона. Этот элементарный заряд обозначается как е и имеет величину примерно 1.6 х 10^-19 кулонов. Любой электрический заряд можно выразить как целое число, умноженное на элементарный заряд.
Это явление квантования заряда было обнаружено физиком Робертом Милликеном в его знаменитом эксперименте с каплей масла в 1909 году. Наблюдая за поведением электрически заряженных капель масла в электрическом поле, Милликен смог определить, что заряд квантован и что значения заряда были целыми кратными элементарному заряду.
Квантование заряда имеет важные последствия во многих аспектах физики и техники. Например, это основа квантовой теории поля, описывающей взаимодействия электрически заряженных субатомных частиц. Также важно понимать структуру атомов и свойства материалов.
Кроме того, квантование заряда имеет важное значение в электронике и полупроводниковой технике. Транзисторы, которые являются ключевыми компонентами электронных схем, работают, используя возможность контролировать поток электрического тока путем манипулирования электрическим зарядом в полупроводниковых материалах.
Что означает, что физическая величина квантуется?Приведите примеры.
Квантование заряда в физике: объяснение и примеры
Квантовая физика — раздел науки, занимающийся изучением субатомных частиц и их взаимодействий. Одной из фундаментальных особенностей квантовой физики является квантование физических величин, из чего следует, что эти величины могут принимать только дискретные, а не непрерывные значения.
Когда мы говорим, что физическая величина квантуется, это означает, что она может иметь только определенные конкретные значения и не может принимать какое-либо значение в непрерывном диапазоне. Это сильно отличается от того, что происходит в классической физике, где величины могут принимать любые значения в определенном диапазоне.
Примером квантования является электрический заряд. В классической физике считалось, что электрический заряд может принимать любое значение, но в квантовой физике было обнаружено, что заряд квантуется. Это означает, что электрический заряд может существовать только в целых числах, кратных элементарному заряду, который является минимальным зарядом, который может существовать. Этот элементный заряд примерно равен 1.6 х 10^-19 кулонов.
Вы заинтересованы в: Емкость: понять измерение электрического заряда
Например, электрон имеет отрицательный элементный заряд, который примерно равен -1.6 х 10^-19 кулонов. Это означает, что заряд электрона может быть только целым кратным этого элементарного заряда. Электрон с зарядом, например, -1.7 х 10^-19 кулонов существовать не может.
Другим примером квантования является энергия. В квантовой физике было обнаружено, что энергия также квантуется. Это означает, что энергия может принимать только определенные дискретные значения, называемые уровнями энергии. Эти энергетические уровни определяются свойствами квантовых систем, таких как атомы и субатомные частицы.
Типичным примером квантования энергии является спектр излучения атома. Когда атом излучает свет, он делает это в определенных цветах, которые соответствуют различным уровням энергии. Это связано с тем, что энергия атома квантована, и он может излучать свет только на разрешенных уровнях энергии.
Что такое квантование и сохранение электрического заряда?
Квантование заряда в физике: объяснение и примеры
Квантование заряда — фундаментальная концепция физики, которая относится к делимости электрического заряда. Согласно квантовой теории, электрический заряд квантуется, а это означает, что он может существовать только в целых числах, кратных элементарному заряду. Это явление наблюдается в природе и подтверждено экспериментально.
Электрический заряд — это внутреннее свойство субатомных частиц, таких как электроны и протоны. Элементарный заряд, обозначаемый буквой «е», представляет собой заряд электрона и имеет величину 1.6 х 10^-19 кулонов. Согласно квантованию заряда, все электрические заряды должны быть целыми кратными этому элементарному заряду.
Квантование заряда имеет важные последствия в физике и химии. Например, закон сохранения электрического заряда гласит, что общий заряд изолированной системы остается постоянным. Это значит, что заряд нельзя создать или уничтожить, его можно только перенести с одного объекта на другой.
Типичным примером квантования заряда является перенос электронов между атомами при образовании химических связей. Например, в ионной связи атомы переносят электроны, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации. Этот перенос электрона происходит в целых числах, кратных заряду элементаля, демонстрируя квантование заряда.
Другим примером квантования заряда является наблюдение электрического заряда в субатомных частицах. Эксперименты с ускорителями частиц показали, что заряженные частицы, такие как электроны и протоны, имеют точный и постоянный заряд, кратный элементарному заряду.
И вот так электроны ходят по своим квантованным орбитам по луне! Квантование заряда похоже на ритм физики, никто не может устоять перед движением в ритме электронов! Итак, в следующий раз, когда вас спросят, почему заряд квантуется, вы уже знаете ответ: потому что электроны — очень аккуратные танцоры!